文章編號:1005-6629(2010)05-0037-03 中圖分類號:G633.8 文獻標(biāo)識碼:B

1問題提出

蘇教版《實驗化學(xué)》第21頁中關(guān)于“鋁與氧氣反應(yīng)的實驗探究”的實驗描述:將鋁片剪成長5～8 cm、寬0.2～0.3 cm的鋁條，繞成螺旋狀，一端繞緊一根火柴。實驗時，用坩堝鉗夾緊鋁條的另一端，點燃鋁條上的火柴，待火柴快要燃燒完時，將鋁條伸入盛有氧氣的集氣瓶(瓶底盛有少量水)中，觀察現(xiàn)象[1]。該實驗中的鋁基本上不能燃燒。我所任教的三個班級的學(xué)生都進行了分組實驗，都嚴格按照實驗手冊的步驟和要求去做，但沒有一組學(xué)生有觀察到像鐵在氧氣中燃燒的那種火星四射的現(xiàn)象。這是怎么回事呢!是實驗操作的問題?藥品的問題?是實驗方案的問題?還是學(xué)生沒有規(guī)范操作呢?帶著這些問題，我們幾位老師對其進行深入探究和實驗改進，學(xué)生也積極參與了思考。

2 實驗探究

2.1問題的發(fā)現(xiàn)

鋁為什么在純氧中不能燃燒?而比它化學(xué)性質(zhì)不活潑的鐵在純氧中都能劇烈燃燒。是鋁不純?氧氣不足?還是鋁表面有阻燃的物質(zhì)存在等等?這些問題在教材的方案設(shè)計中都有所顧及。比如:實驗用的鋁，我們特意去買“分析純”的鋁片;用盛有氧氣的集氣瓶可做到提高氧氣的濃度;把鋁片剪成鋁條，再繞成螺旋狀可做到增大與氧氣的接觸面;我還要求學(xué)生把鋁條用砂紙進行打磨以除去表面的氧化膜。經(jīng)過以上的處理，鋁條還是不能燃燒，多數(shù)學(xué)生所觀察的現(xiàn)象是:鋁條本來比較光亮最終變得沒有金屬光澤，同時用手折容易斷裂。這現(xiàn)象說明鋁參與了反應(yīng)，但關(guān)鍵問題是要觀察到燃燒的現(xiàn)象，何況鋁比鐵活潑，怎么就沒有理論上所預(yù)測的那樣呢?

此現(xiàn)象經(jīng)過學(xué)生課后的分析探討，結(jié)合學(xué)生實驗后上交的學(xué)案，得出了以下幾種可能:

(1)雖然在燃燒之前鋁條表面的氧化膜用砂紙?zhí)幚磉^，但在空氣中預(yù)熱時又生成氧化膜覆蓋在表面，當(dāng)然就燃燒不起來;

(2)氧氣的濃度太低或量太少，鋁條與氧氣的接觸面還是太小;

(3)酒精燈加熱的溫度不夠高。

學(xué)生提出以上幾種可能依據(jù)以下幾點知識:

(1)鋁作為活潑金屬，很容易與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，就像金屬鈉一樣，當(dāng)用刀切開的時候，表面很快就變暗;鋁在金屬活動性順序表中緊接鈉的后面，當(dāng)然很容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成氧化物;

(2)查閱相關(guān)資料:氧化鋁的熔點2050 ℃，其致密程度很高，又相當(dāng)穩(wěn)定。

(3)化學(xué)反應(yīng)速率取決于反應(yīng)物的濃度、體系的溫度以及接觸面的大小等。氣體濃度越高、體系溫度越高以及接觸面越大，反應(yīng)速率越快。

(4)酒精燈加熱的溫度為400~500 ℃，鋁在純氧里燃點為550 ℃[2]， 顯然，用酒精燈加熱，鋁條就很難點燃。

這些知識在《化學(xué)反應(yīng)原理》、 《化學(xué)1》(必修)和《化學(xué)2》(必修)有過詳細的介紹，難道鋁就不能在空氣中或純氧中燃燒嗎!課本既然選擇了這個實驗，應(yīng)該是可以進行的。這迫使我們對這些問題要進行深入的分析，這也正體現(xiàn)了《實驗化學(xué)》的特點和新教材的理念。

2.2問題的探究

(1)對于鋁表面氧化膜的探究

金屬鋁位于金屬活動性順序表的前面位置，屬于比較活潑的金屬，平時從實驗室取出來的鋁片表面都有一層致密的氧化膜，如何證明其表面有氧化膜存在?

實驗步驟:取一塊未經(jīng)打磨處理的鋁片，投入到3 mL 6.0 mol·L-1熱的氫氧化鈉溶液中，觀察鋁片表面的氣泡。

實驗現(xiàn)象:開始大概2分鐘左右，表面沒有氣泡，2分鐘后表面產(chǎn)生氣泡，而且越來越多。

此現(xiàn)象說明，氫氧化鈉最初與鋁表面的氧化膜反應(yīng)，所以沒有氣泡，等氧化膜被破壞后，暴露出來的鋁與氫氧化鈉反應(yīng)能產(chǎn)生氣泡。這一現(xiàn)象可以說明鋁片表面有氧化膜。我們可以利用砂紙的打磨或與氫氧化鈉反應(yīng)，去除表面的氧化膜，然而經(jīng)過這樣去除氧化膜的鋁片，還是無法在氧氣中燃燒。

是不是學(xué)生所猜想的:在鋁條的預(yù)熱過程中又生成氧化膜呢?要證明這點比較簡單，就是重復(fù)以上實驗。

實驗步驟:取前面鋁燃燒失敗的鋁片，投入到3 mL 6.0 mol·L-1熱的氫氧化鈉溶液中，觀察鋁片表面的氣泡。

實驗現(xiàn)象:開始大概1分鐘左右，表面沒有氣泡，1分鐘后表面產(chǎn)生氣泡，而且越來越多。

從中可以看出，鋁片表面又生成了氧化膜，時間上的差異說明，氧化膜的厚度比原來的要薄。如何在燃燒前不讓它產(chǎn)生或產(chǎn)生很薄的氧化膜呢?

查閱了很多有關(guān)鋁的資料，其中有一條很有利用價值:在鋁表面產(chǎn)生“汞齊”，就可以破壞其氧化膜的生成。

實驗步驟:取一塊未經(jīng)打磨處理的鋁片投入到3 mL 1.0 mol·L-1的Hg(NO3)2溶液中， 靜置2分鐘，取出觀察鋁片表面的現(xiàn)象。(注意:汞有劇毒，注意安全)

實驗現(xiàn)象:鋁表面金屬光澤消失，很快長出白“毛”，見圖1所示:

把鋁片放入Hg(NO3)2溶液中，硝酸汞穿過保護層，與鋁發(fā)生置換反應(yīng)，生成了液態(tài)金屬——汞。汞在常溫下就可以與鋁結(jié)合生成鋁汞合金，該合金的俗稱為“鋁汞齊”，鋁表面生成鋁汞齊后，鋁失去氧化鋁保護膜的保護作用。這白“毛”經(jīng)過實驗證明是蓬松的氧化鋁。以上實驗可以證明:暴露出來的鋁單質(zhì)性質(zhì)很活潑，常溫下就能與空氣中的氧氣反應(yīng)而生成氧化鋁。經(jīng)過這樣處理的鋁條，刮去其表面的“毛”，放在酒精燈外焰上加熱，還是燒不起來，但很快又長出了大量的白“毛”。這說明鋁很容易與氧氣反應(yīng)，只不過沒有達到燃燒的程度;溫度越高反應(yīng)越快，也從一個側(cè)面說明，只要不產(chǎn)生致密的氧化膜，就可以使里面的鋁繼續(xù)氧化。

氧化膜經(jīng)過以上處理已經(jīng)除去，就算是生成的白“毛”也是蓬松的，相當(dāng)于鋁單質(zhì)已經(jīng)暴露在空氣中，為什么還是燒不起來呢?這時，大家都會想到加熱溫度不夠未達到著火點、氧氣濃度不足或接觸面太小等問題。

(2)對于加熱溫度的探究

正常情況下酒精燈溫度為400~500 ℃。學(xué)生在實驗室做實驗時，人員走動，造成氣體流動，此時火焰溫度可能低下來;由于學(xué)生的不規(guī)范操作，導(dǎo)致實驗室里的酒精燈燈芯上有很多雜質(zhì)和黑碳，燃燒的酒精燈溫度就更低。況且鋁的燃點為550 ℃，用酒精燈是很難達到的，改為酒精噴燈能否達到燃點呢?酒精噴燈的溫度為800 ℃~1000 ℃，已經(jīng)超過了鋁的燃點。

實驗步驟:取前面經(jīng)Hg(NO3)2溶液處理過的鋁條，用酒精噴燈加到紅熱，快速伸入盛有純氧的集氣瓶中，觀察現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象:鋁條劇烈燃燒，火星四射，發(fā)出耀眼的白光。

劇烈的燃燒正好驗證了我們的推測:沒有達到燃點。但為什么在酒精噴燈上加熱過程不燃燒，而要放入純氧的集氣瓶中才燃燒呢?自然就會想到氧氣濃度和接觸面的問題。

(3)對于氧氣濃度和接觸面的探究

化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素很多，其中濃度的影響起著很大的作用。提高反應(yīng)物氧氣的濃度，化學(xué)反應(yīng)速率從理論上講會提高很快?？諝庵醒鯕獾捏w積百分數(shù)約為21 %，在酒精噴燈火焰周圍由于乙醇的劇烈燃燒消耗大量的氧氣，導(dǎo)致其周圍氧氣濃度急劇下降，此時的氧氣濃度對于鋁燃燒就顯得較低，所以要提高氧氣的濃度，最直接的方法就是將鋁片在純氧中燃燒。

實驗步驟:裝置見圖2所示。往錐形瓶中加入少量的二氧化錳固體，在分液漏斗中加入雙氧水，打開分液漏斗的旋塞，慢慢滴入雙氧水，反應(yīng)一段時間后，用排水法收集一大瓶的氧氣，同時集氣瓶底部保留少量水。

用此種方法收集到的氧氣具有快速、純度高、量多等優(yōu)點。把經(jīng)過 Hg(NO3)2 溶液處理過的鋁條，放在酒精噴燈上加到紅熱，快速伸入集氣瓶中，此時，燃燒的現(xiàn)象非常明顯:火星四射，發(fā)出耀眼的白光， 見圖3所示。

提高氧氣濃度可以提高反應(yīng)速率，若把鋁條剪的更細或換成鋁粉是不是反應(yīng)還會加快，而且有可能可以直接在酒精燈上加熱、在空氣中燃燒呢?

實驗步驟:把鋁片按照圖4所示的規(guī)格剪下，做成如圖5所示的提籃形燃燒匙。然后把該燃燒匙放入Hg(NO3)2溶液浸泡一下拿出，往其底部加入少量鋁粉，用坩堝鉗夾住上面放在酒精燈外焰加熱。

實驗現(xiàn)象:“燃燒匙”底部變紅，移開酒精燈，整個“燃燒匙”在空氣中劇烈燃燒，發(fā)出耀眼的白光。

以上的實驗現(xiàn)象能充分證明:提高加熱的溫度、除去表面的氧化膜、增大與氧氣的接觸面等，都能使反應(yīng)加快進行;也可證明鋁能在空氣中燃燒。

2.3問題的解決

通過上述實驗探究，要使鋁能在氧氣中燃燒，必須做到兩點:第一，必須除去表面的氧化膜;第二，要提高加熱的溫度、氧氣的濃度或增大與氧氣的接觸面。只要滿足了這些條件，才能使這個實驗成功。結(jié)合以上的探究過程，經(jīng)過師生的整理和改進，以下幾種方法都可以成功:

(1)燃燒匙法

把鋁片按照圖4所示的規(guī)格剪下，做成如圖5所示的提籃形式(做燃燒匙)。然后把這個“燃燒匙”放入Hg(NO3)2溶液浸泡一下拿出，往其底部加入少量鋁粉，用坩堝鉗夾住上面放在酒精燈外焰加熱，鋁粉就可燃燒。

(2)噴瓶法

到化裝品店購買如圖6所示的噴瓶，把酒精注入到瓶中，再加入少量400目左右的鋁粉，搖勻，打開上面的保護蓋，對著酒精燈火焰噴，可以看到，在酒精燃燒的同時，隨酒精噴射出來的鋁粉也一同燃燒，現(xiàn)象相當(dāng)明顯(圖7)。

(3)脫脂棉法

取一團脫脂棉，在里面分散地包上鋁粉，外面粘些KClO3，用坩堝鉗夾住棉花團，放到酒精噴燈外焰點燃，觀察現(xiàn)象。

(4)自制鋁箔法

在一塊薄的白紙上均勻地涂上膠水，再均勻撒上鋁粉， 厚度和密度都要均勻，曬干得自制鋁箔，剪成約l cm×10 cm的小條。用鑷子攝住鋁箔的一端，另一端在酒精燈上點燃，待部分紙燒起來后，立即放入到盛滿氧氣的集氣瓶內(nèi)，即發(fā)出耀眼的白光。

3反思

本次探究是緊密結(jié)合《實驗化學(xué)》教學(xué)內(nèi)容進行的符合化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)的一次活動，教師和學(xué)生一起親身經(jīng)歷了類似科學(xué)家的研究過程:從實驗中產(chǎn)生疑問、提出問題、設(shè)計方案、實驗驗證和分析反思結(jié)論;體驗、感受了探究的樂趣，全方位鍛煉了學(xué)生的實驗?zāi)芰?，也鍛煉和培養(yǎng)了他們的意志和毅力，開拓了思維，增強了自信，提升了創(chuàng)造力。因此，教師在教學(xué)中，特別是在《實驗化學(xué)》的教學(xué)過程中，要多鼓勵學(xué)生對教材質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題。發(fā)現(xiàn)或提出一個問題，往往比解決一個問題更重要。并給學(xué)生創(chuàng)造良好的條件讓他們?nèi)ヌ骄?、設(shè)計化學(xué)實驗，讓他們獨立完成實驗，盡量發(fā)揮他們的主動性和創(chuàng)造性，把學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣推向高潮，從而鍛煉他們的實驗技能和智能。

教材上的知識盡管是經(jīng)過了專家的審查和驗證，但并不見得就完美無缺，總會留下一些或特意留下一些供我們教師和學(xué)生共同去探索的空間，而《實驗化學(xué)》新教材的實施才兩年， 教材中的一些問題還需要我們一線的教師進行實踐的驗證。本人認為這其實也是新教材特意留給我們的懸念。只要我們教師在教學(xué)中不唯書、不唯綱，積極思考，主動探究，及時總結(jié)，在實驗中探究，在反思中升華，就一定會有新發(fā)現(xiàn)，探索出一套較好的《實驗化學(xué)》教學(xué)的模式，并使自己盡快成長為一個研究型、創(chuàng)新型的教師。

參考文獻:

[1]王祖浩.《實驗化學(xué)》[M].江蘇教育出版社， 2007.11. 21.

[2]“氯化銨溶液與氯化鋁溶液混合有沒有沉淀生成”[J].《化學(xué)教育》.2009，1.

[3]王祖浩.《中學(xué)化學(xué)課程評價的反思與探索》[M].東北師范大學(xué)出版社，2003.

[4]鋁百科:http://baike.baidu.com/